Experimente mit Antimaterie – Elementarteilchen heute – Antimaterie in der Natur – Antimaterie (Positronen) in der Medizin (PET) – Beschleunigung von Elementarteilchen – Reaktionen zwischen Elementarteilchen und ihr Nachweis – Antiprotonen – Erzeugung von Antiprotonen – Experimente mit Positronen und Antiprotonen – Effiziente Erzeugung von kurzlebigen Elementarteilchen (W±, Z0, J/ψ, t-Quark, Glueballs, ...) – Antiwasserstoff – Antiprotonen in Deutschland (GSI/Darmstadt) H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, September 2004
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*) Da die Quarks nicht als freie Teilchen vorkommen, sind ihre Massen nur im Zusammenhang mit Modellvorstellungen angebbar. Zusätzlich Boten-Teilchen: Photonen (γ), Intermediäre Bosonen (W±, Z0), Gluonen (g), Gravitonen H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, September 2004
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Dirac-Gleichung Dirac-Gleichung = Relativistisches Analogon zur Schrödinger-Gleichung
→
α = 0→ σ , z.B. α1 = →
σ 0
β=
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 -1 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 1 0 0
1 0 0 0
0 0 0 -1
Lösungen der Dirac-Gleichung:
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Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Herstellung von kurzlebigen β+-Strahlen, z.B. 15O Beschleuniger :
14N
(d, n)15O
t1/2 (15O) = 2.03 min
Im Körper : β+ (e+) + e– (Körper) → γ (0.5 MeV) + γ (0.5 MeV) Gemessen von Detektoren ¬ Rekonstruktion des Zerfallortes des 15O Wenig radioaktive Belastung des Körpers
Diagnose bei Krebs-, Herz- und Hirnerkrankungen
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Nuklid-Karte
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Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Hirnaktivität Neuronale Aktivitäten bei der Warhnehmung, kann die PET mit Hilfe radioaktiver Substanzen messen, die entweder die Zunahme von Stoffwechselaktivitäten im Blut zeigen oder die den verstärkten Blutfluss in den gerade aktiven Gehirnregionen anzeigen.
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Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein nuklearmedizinisches Schnittbildverfahren, mit dem Stoffwechselvorgänge im Körper untersucht werden können. Nach Injektion einer geringen Menge radioaktiv markierter Substanz wird die aus dem Körper austretende Strahlung mit Detektoren gemessen. Substanzen, die in den Stoffwechsel eingeschleust werden, können u. a. Zucker, Eiweißbausteine oder auch Wasser sein. Solche markierten Substanzen werden im Körper weitgehend normal umgesetzt, deshalb ist mit der PET eine Darstellung der natürlichen Zellfunktion möglich. PET kann in der onkologischen, neurologischen und kardiologischen Diagnostik eingesetzt werden.
Die Schnittbilder des Hirns eines Schlaganfall-Patienten zeigen die Durchblutung vor (Bild links) und nach (Bild rechts) einer Therapie.
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Beschleunigung von Elementarteilchen Linearbeschleuniger
SLAC: 2 miles accelerator : e+, e– bis 40 GeV
Synchrotronbeschleuniger
Fermilab/Chicago : p, p bis 1000 GeV CERN/Genf : p bis 7000 GeV
Experimente mit festem Target Hohe Reaktionsraten Kleine Schwerpunktsenergien
Experimente im Kollisions-Mode Kleine Reaktionsraten Große Schwerpunktsenergien H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, September 2004
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Reaktionen zwischen Elementarteilchen und ihr Nachweis Umwandlung von Energie in Masse (E = mc2) Beispiele (Kollisions-Experimente):
e+
Kin. En.: 1.55 GeV Masse: 0.0005 GeV
p
Kin. En.: 500 GeV Masse: 1 GeV
+ e–
+p
Kin. En.: 1.55 GeV Masse: 0.0005 GeV
Kin. En.: 500 GeV Masse: 1 GeV
→ J/ψ
→ t-Quark
Kin. En.: 0 GeV Masse: 3.1 GeV
Kin. En.: ≈ 100 GeV Masse: 173 GeV
→ µ +µ –
+ t-Quark
Kin. En.: ≈ 100 GeV Masse: 173 GeV
+X
Beispiel (Fixed Target Experiment):
p
Kin. En.: 15 GeV Masse: 1 GeV
+p
Kin. En.: 0 GeV Masse: 1 GeV
→ 4π+ + 4π–, γγ, ... (Annihilation)
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Reaktionen zwischen Elementarteilchen und ihr Nachweis Detektoren Emulsions-Schichten im Magnetfeld Blasenkammern Elektronische Detektoren (Geiger-Müller Nachfahren, ...)
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Erzeugung von Antiprotonen
Antiproton beam at the Berkeley Bevatron. The antiprotons were produced in a Cu-target (T). The momentum of the produced negative charged particles π–, p) was 1.19 GeV/c determined by two dipole magnets (M1, M2). The velocities of the particles were measured via TOF- (S1, S2, S3, S4)- and Cerenkov-counters (C1, C2, C3). H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, September 2004
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November-Revolution: Entdeckung des J/ψ (Nov. 1974) Vorher: Heisenberg: Ende der Teilchenphysik Nachher: Entdeckung der schweren Quarks ¬ Vielzahl neuer Erkenntnisse (Standard-Modell, CP-Verletzung, ...) Gleichzeitige Entdeckung in Brookhaven/Long Island und SLAC/Stanford Brookhaven (S. Ting et al.) : p + Be → µ+µ– + X J-Teilchen → J/ψ SLAC (B. Richter et al.) : e+e– → ψ ψ-Teilchen
a)
b)
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Asymmetrie zwischen Materie/Antimaterie im Universum Experiment (Sichtbares Universum): nb - nb ≈ nb ; nb/nγ ≈ 10–10 ¬ Materie und Antimaterie (nach Big Bang) haben annihiliert, aber: Ein wenig Materie ist übrig geblieben (Asymmetrie !) Voraussetzungen für Entstehung von Asymmetrie (Sakharov) – Verletzung der Baryonen-Zahl Erhaltung – C- und CP- Verletzung – Abweichung vom thermischen Gleichgewicht Neuere Messungen (K0/K0, B0/B0-System) CP-Verletzung existiert, aber bei weitem zu klein um beobachtete Asymmetrie zu erklären Neuestes Resultat (BaBar/SLAC/Stanford): BaBar-Daten: B0 → K+π– (us + ud) (910) Zahlen sollten gleich sein bei CP-Erhaltung B0 → K–π+ (us + ud) (696) CP - Asymmetrie !! H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, September 2004
Anti-Wasserstoff H-Atom:
H-Atom: e–
p
e+
p
Erstmals bei CERN gefunden Elektromagnetische Falle Zukunft: Test der CPT-Symmetrie
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ATHENA Apparatur
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Der AD am CERN
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ATHENA Apparatur
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Antiprotonen in Deutschland: Hadronenprojekt bei der GSI/Darmstadt
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, September 2004
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Antiprotonen in Deutschland Ausbau des GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) - Beschleunigers in Darmstadt Werdegang des Projektes – Push durch eine kleine Gruppe – Überzeugung der Kollegen – Letter of Intent (50 Wiss.) – Vorlage eines Proposals (600 Seiten) – Begutachtung durch den Wissenschaftsrat (Internat. Gremium) – Finanzierungszusage durch das bmb+f (25% auswärtige Beteiligung) – Ausarbeitung eines Detektorkonzepts (>300 Wiss. aus der ganzen Welt): PANDA-Projekt – Hardware Arbeiten/Simulationen – Technisches Proposal (Jan. 2005) – Begutachtung (Peer Review) – Baubeginn: 2006 – Fertigstellung: 2011/12
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, September 2004
Zusammenfassung
– Antimaterie ist nicht so exotisch wie man oft denkt – Antimaterie lässt sich in mikroskopischen Dosen heute routinemäßig erzeugen – Antimaterie ist von großem Nutzen in Studien von Teilchenreaktionen und der dabei erwarteten neuen Phänomene
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, September 2004
